曹旺萍

(無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械技術(shù)學(xué)院,江蘇 無錫 214121)

基于Geom agic的玩具蝦逆向建模方法

曹旺萍

(無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械技術(shù)學(xué)院,江蘇 無錫 214121)

通過三維激光掃描設(shè)備獲得的玩具蝦點云數(shù)據(jù),利用逆向工程軟件Geom agic Studio進行點云數(shù)據(jù)處理、多邊形和曲面片的編輯處理而實現(xiàn)快速構(gòu)建玩具蝦NURBS曲面模型的方法。

Geom agic;點云數(shù)據(jù);NURBS曲面;蝦模型

逆向工程(Reverse Eng ineering,RE),可以在無圖紙或者圖紙不完整以及無CAD模型的情況下,利用快速原型系統(tǒng)(RA PID p ro to typ ing, RP)、計算機輔助制造(Com pu ter A ided M anufatu re ,CAM)系統(tǒng)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(Produc tD ate M anagem en t,PDM)等先進技術(shù)將實物樣件或者手工模型進行處理和管理,轉(zhuǎn)化為CAD數(shù)據(jù)。廣泛應(yīng)用于機械、航空、汽車等領(lǐng)域。

目前逆向工程主要有兩種模式,一種仍然是按正向的思路來進行,以三維CAD平臺為主,逆向軟件為輔。逆向軟件進行點云處理,并獲取一些必要的局部特征線,主要特征構(gòu)建及實體造型通常還是在CAD里進行。這種方式的難點是曲面片的劃分和曲面片之間的平滑過渡。另外一種模式是根據(jù)產(chǎn)品點云生成三角網(wǎng)格模型,然后自動生成NURBS曲面模型,最終生成完整的、由眾多曲面片光滑拼接而成的曲面模型。

Geom agic Stud io軟件是由美國(Raind rop)雨滴公司出品的逆向工程應(yīng)用軟件,它以先進的數(shù)學(xué)模型、曲面構(gòu)建理論為基礎(chǔ),能快速整理曲面點云數(shù)據(jù),自動產(chǎn)生網(wǎng)格,可建構(gòu)任意復(fù)雜的精確曲面模型,創(chuàng)造從原型曲面測量點云到多邊形數(shù)據(jù)的高品質(zhì)三維模型。運用這個軟件可以從掃描所得的點云數(shù)據(jù)創(chuàng)建出完美的多邊形模型和網(wǎng)格,并可自動轉(zhuǎn)換為NURBS曲面。

1 玩具蝦的逆向建模

1.1 點云數(shù)據(jù)的拼接、優(yōu)化階段(poin t phase)點云階段包括點云數(shù)據(jù)的拼接、去除雜點及噪音點、點云取樣、點云封裝等。

1.1.1 點云數(shù)據(jù)的拼接 為了得到完整的點云,需要從多個不同的方向進行多次掃描,再將各分塊點云統(tǒng)一到一個坐標(biāo)系下?？刹捎肕 anval Regiseration功能進行拼接,這時可以利用零件本身的特征進行對齊,然后再運用G lobal Registration功能對所有的點進行全局對齊,使得拼接誤差最小。

1.1.2 去除雜點及噪音點 接下來,必須先處理掉點云數(shù)據(jù)中的離散點,這些點通常都是遠離主點云并且并不參與我們想要的任何幾何形狀的表達?？捎肧elect D isconnected和Selec t ou tliers功能來刪除雜點。選擇Selec tD isconnec ted功能,設(shè)置分離(Separation)選項選擇L ow并把Size設(shè)為5.0。點OK后,系統(tǒng)就會自動選擇所有和主點云分離的離散點。選擇select ou tliers功能,設(shè)置Sensitiv ity為100。使用D elete鍵刪除被選中的離散點。

由于掃描過程中的波動、掃描儀的不正確校正或者是糟糕的工件表面等等,會造成曲面表面上粗糙的,并且是不期望出現(xiàn)的點數(shù)據(jù),這樣的點稱為噪聲點。為了減少噪聲點,用Reduce N o ise功能,以使得掃描點云能更準(zhǔn)確地表達工件的真實表面。選擇Reduce N o ise,選擇Free-fo rm shapes,并拖動Sm oo thness L evel滑動條到中間位置,然后點確定就可以進行減少噪音的過程,系統(tǒng)會自動利用噪音點進行平均化以得到更光滑的表面。圖1為經(jīng)過處理后的玩具蝦點云數(shù)據(jù)。

圖1 處理后的玩具蝦點云數(shù)據(jù)Fig.1 H and led sh rim p po in t c loud

1.1.3 點云取樣 接著要對玩具蝦點云數(shù)據(jù)進行取樣,取樣的作用是在減少點數(shù)據(jù)的情況下還能保持相對精確的形狀。當(dāng)封裝時可粗略地產(chǎn)生相同尺寸的多邊形,此處采用U n ifo rm Sam p le較合適,選擇由目標(biāo)定義間距的方式,這樣系統(tǒng)將會刪除部分點數(shù)據(jù)。

1.1.4 點云封裝 點云數(shù)據(jù)處理完成后,進入W rap階段,把優(yōu)化后的玩具蝦點云數(shù)據(jù)進行封裝,實質(zhì)上是用許多細小的空間三角片來逼近還原CAD實體模型。所以三角片質(zhì)量的好壞直接影響其后擬合玩具蝦的NURBS曲面質(zhì)量。點擊圖標(biāo)進入W rap選項,選擇Su rface選項然后點OK便可進入W rap階段。圖2為經(jīng)過封裝后的玩具蝦模型。

圖2 封裝后的玩具蝦模型Fig.2 W raped sh rim p ofm odel

1.2 多邊形的編輯階段(po lygon phase)

接下來要對封裝后的多邊形進行編輯,也就是對模型進行破洞的修補、表面的光順、簡化多邊形、多邊形的檢測與校正以提高玩具蝦表面的質(zhì)量。

1.2.1 破洞的修補 從圖2中可看出,因為采集時的數(shù)據(jù)缺失產(chǎn)生了破洞,可以用Fill Ho les命令進行基于曲率的填充功能進行破洞填補。

1.2.2 表面的光順 可用D efeatu re功能來快速去除表面的不光順處,這個命令減少了先刪除幾何形狀再基于曲率的填充空隙的步驟,對于一些表面的小腫塊也可用Sandpaper功能對表面進行打磨。

1.2.3 簡化多邊形 可用D ecim ate Po lygons功能來減少三角網(wǎng)格并保持細微的特征,Reduce to percen tage的數(shù)值為50,減少50%的三角網(wǎng)格。

1.2.4 多邊形的檢測與校正

為了防止多邊形在空間的交錯及2個表面多邊形連接時不匹配,可用Fix in tersec tions功能來對多邊形進行修復(fù)。圖3為編輯后的多邊形模型。

圖3 編輯后的多邊形模型Fig.3 Ed ited po lygonm odel

1.3 成形階段(shape phase)

完成多邊形的編輯處理后,進入形狀階段,包括檢測曲率、構(gòu)建及編輯曲面片、構(gòu)建網(wǎng)格、擬合曲面等以完成玩具蝦的NURBS曲面重構(gòu)。

1.3.1 探測曲率 使用D etec t Cu rvatu re功能,采用A u to estim ate的方式,Cu rvatu re L evel為0.3, Sim p lify Con tou r L ines,點確定后自動探測曲率。

1.3.2 構(gòu)建及編輯曲面片 使用Construc t Patches功能,采用A u to estim ate方式,計算機會自動根據(jù)蝦的特征分布情況構(gòu)建蝦曲面片布局圖。構(gòu)建出的曲面片在需要比較精細的地方有比較多且小的嵌片,在比較平坦的地方有比較少且大的嵌片。

自動構(gòu)建好的曲面片需進一步調(diào)整,使用Relax Con tou rL ines功能可使輪廓線變得挺直。使用Geom agic的Relax B oundaries L inear功能可使邊界線平均分布,且可以預(yù)防邊界線有互相交叉的情況。編輯后的曲面片如圖4所示。

1.3.3 構(gòu)造格柵 調(diào)整好玩具蝦的曲面片布局圖后,使用Construc t G rids功能,將會在每個嵌片內(nèi)

圖5 構(gòu)造玩具蝦格柵Fig.5 G rids of construc tion

1.3.4 構(gòu)建NURBS曲面模型 構(gòu)造格柵后,用Fit su rfaces功能擬合NURBS曲面,我們要的曲面是要比較精細的,設(shè)定Con tro l……Po in ts為20, Tension為0.1,生成如圖6所示的玩具蝦NURBS曲面模型。

接下來,要比較構(gòu)建的曲面與掃描資料之間的誤差有多少。使用3D Com pare功能,在M ax. Positive輸入1.0mm,按下En ter鍵,在M in Positive輸入0.25mm,按下En ter鍵,點A pp ly開始分分布U-V網(wǎng)格線,NURBS曲面的控制點將會依據(jù)這些網(wǎng)格而產(chǎn)生,定義Reso lu tion值為20(分辨率越高,曲面越精細,分辨率越低,曲面越平順,取20～50較理想),選擇修復(fù)相交區(qū)域,選擇檢查幾何圖形。構(gòu)造好的玩具蝦格柵如圖5所示。析,結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.008 532?？奢敵鯥GES、STL、STEP等十幾種格式的文件,供UG、Pro/E等CAD軟件作進一步修改,生成蝦CAD曲面模型。

圖4 編輯后的曲面片圖Fig.4 Ed ited patches

圖6 玩具蝦NURBS曲面模型Fig.6 M odels of NURBS curved su rface

2 結(jié) 論

運用Geom ag ic stud io,可以快速地獲得玩具蝦的NURBS曲面模型,大大降低曲面重構(gòu)難度。對于曲面要求不高的零件運用Geom agic stud io軟件進行逆向建?？娠@著提高效率,縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

[1] 李 燕,黃 凱.基于Geom agic的三維人體建模技術(shù)[J].紡織學(xué)報,2008,29(5):130-132.

[2] 趙 毅,王明輝.基于Geom agic Stud io的汽車連桿鍛件逆向建模技術(shù)[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化,2007(10):60-62.

[3] 宋 景.Geom agic軟件在貴州少數(shù)民族文化遺產(chǎn)保護方面的運用[J].貴陽學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版,2009,4(1):42-44.

Sh rim p Reve rse M o ld ing Based on the Geom ag ic

CAO W ang-p ing
(M echanical Techno logy Institu te,W ux i Institu te of Techno logy,W ux i 214121,China)

Th rough sh rim p poin t c loud data ob tained by 3D laser scanning equ ipm en t,ed iting and p rocessing po in t c loud data,po lygons,and su rface patches using reverse engineering softw are-Geom agic S tud io, rap id ly realized them ethods of construc ting the sh rim p m odels of NURBS cu rved su rface.

geom agic;c loud data;NURBS su rface;sh rim p m odeling

TP 391.9

A

1671-7880(2010)01-0035-03

2009-10-30

曹旺萍(1973— ),女,江蘇南京人,實驗師,技師。